DE19633609A1 - Verfahren zur Herstellung von Carbazol - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von CarbazolInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Carbazol
durch Dehydrierung bzw. aminierende Dehydrierung der weiter unten genannten
Verbindungen der Formeln (I) bis (VIII) in Gegenwart von Iridium-Katalysatoren
oder Iridium-enthaltenden Katalysatoren auf Trägern.
Carbazol ist ein Ausgangsprodukt zur Herstellung von Farbstoffen, Polymeren und
Insektiziden (Ullmann′s Encyclopedia, 5. Ed., Vol. A5, S. 59-60).
Es ist bekannt, daß Carbazol durch Dehydrierung bzw. aminierende Dehydrierung
von Verbindungen der weiter unten genannten Formeln (I) bis (VIII), in denen
Teile des Carbazol-Gerustes bereits vorgebildet sind, mit Hilfe von Platin-Kataly
satoren hergestellt werden kann. Nach US 2.921.942 wird hierbei Platin auf Al₂O₃
oder auf SiO₂ als Träger eingesetzt. Solche Katalysatoren führen bei annehmbar
hohen Umsätzen zu guten Ausbeuten an Carbazol, werden aber bereits nach
kurzem Gebrauch von nur wenigen zehn Stunden auch bei so niedrigen Be
lastungen wie 0,1 g Diphenylamin pro ml Katalysator und Stunde (g/ml·h) oder
sogar geringeren Belastungen desaktiviert. Dadurch wird die Produktivität des
Katalysators, nämlich die pro Stunde und pro ml Katalysator gebildete Menge an
Carbazol, auch bei hohen Umsätzen des eingesetzten Diphenylamins so gering,
daß man für technische Zwecke große Katalysatormengen und voluminöse
Reaktoren benötigt. Längere Standzeiten zwischen den Katalysatorregenerierungen,
nämlich solche von mehreren zehn Stunden, erhält man, wenn als Träger für den
Platin-Katalysator Magnesiumoxid gewählt wird (US 3.041.349). Allerdings ist die
Lebensdauer dieses Katalysators offenbar nur wenig länger als insgesamt etwa 150
bis 200 Stunden (Tab. II in US′ 349), denn nach einer etwas längeren Standzeit als
in obiger US′ 942, nämlich einer solchen von ca. 60 bzw. 62 Stunden (berechnet
nach den Angaben von zugeführtem Diphenylamin (DPA) in US′ 349) zwischen je
zwei Regenerierungen, sinkt die Zeit bis zur nächsten Regenerierung auf ca. 17
Stunden, was zweifelsohne die baldige völlige Unbrauchbarkeit dieses Katalysators
anzeigt. Auch hier liegt die Belastung nur etwa bei 0,1 g/ml·h. Katalysatoren auf
der Basis von Chromoxid gemäß US 3.085.095 werden gleichfalls rasch unbrauch
bar, wenn sie auch etwas höhere Belastungen vertragen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war demnach die Entwicklung von
Katalysatoren, die bei hohen Belastungen gute Umsätze und Ausbeuten an
Carbazol ergeben und hohe Standzeiten zwischen zwei Regenerierungen und ins
gesamt eine lange Lebensdauer aufweisen. Diese Aufgabe konnte gelöst werden,
wenn man Iridium-Katalysatoren oder Iridium-enthaltende Katalysatoren, in denen
neben dem Iridium andere Metalle der Platinmetallgruppe eingesetzt werden, ein
setzt.
Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zur Herstellung von Carbazol durch
Dehydrierung von Verbindungen der Formeln
oder durch aminierende Dehydrierung von Verbindungen der Formeln
bei erhöhter Temperatur an einem Edelmetall-Katalysator, das dadurch gekenn
zeichnet ist, daß an einem Iridium-Katalysator oder an einem Iridium-enthaltenden
Katalysator bei 300 bis 600°C in Gegenwart von Wasserstoff gearbeitet wird.
Geeignete Ausgangsprodukte für das erfindungsgemäße Verfahren sind o-Phenyl
anilin (I), Diphenylamin (II), Cyclohexylidenanilin (III; die aus Anilin und Cyclo
hexanon gebildete Schiff′sche Base = Anil), o-Cyclohexyliden-cyclohexanon (IV;
Dianon) und sein Tautomeres (IVa), o-Cyclohexyl-cyclohexanon (IX),
o-Cyclohexenyl-cyclohexanol (V), o-Phenyl-cyclohexanol (VI), o-Cyclo
hexylphenol (VII), o-Phenyl-phenol (VIII) und o-Cyclohexyl-cyclohexanol (X), be
vorzugt Diphenylamin, Anil, Dianon, o-Cyclohexylphenol und o-Phenyl-phenol,
besonders bevorzugt Diphenylamin.
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren enthalten Iridium auf Trägern mit einem
Gehalt an Ir von 0,01 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 6 Gew.-%, besonders
bevorzugt 0,1 bis 4 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 0,1 bis 2 Gew.-%, bezogen
auf das Gesamtgewicht des Katalysators. Erfindungsgemäß können weiterhin Ir
enthaltende Katalysatoren auf Trägern eingesetzt werden, die neben dem Gehalt an
Ir ein weiteres Metall aus der Gruppe der Platinmetalle enthalten, bevorzugt Rh,
Pd oder Pt, besonders bevorzugt Pt enthalten, bei denen die Summe der Edel
metalle 0,01 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 6 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,1
bis 4 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 0,1 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Ge
samtgewicht des Katalysators, beträgt; das Gewichtsverhältnis der Ir zu dem
anderen Platingruppenmetall beträgt Ir : anderes Metall = 0,2 bis 5 : 1, bevorzugt
0,5 bis 2 : 1.
Die Edelmetalle werden in an sich üblicher Weise, beispielsweise durch Tränken
oder Sprühen ihrer löslichen Verbindungen auf den Träger aufgebracht und dort
durch Fällen, Calcinieren und Reduzieren zu den Metallen fixiert. Hierfür geeig
nete Methoden sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise beschrieben in P.
N. Rylander, Catalytic Hydrogenation over Platin Metals, Academic Press 1967,
S. 25 bis 29 oder P. N. Rylander, Hydrogenation Methods, Academic Press, 1985.
Als lösliche Verbindungen von Iridium und den anderen Platingruppenmetallen
kommen einfache oder komplexe salzartige Verbindungen in Frage, beispielsweise
die Halogenide, Nitrate, Acetate, Acetylacetonate, Carbonyl-Komplexe, Phosphin-
oder Phosphit-Komplexe sowie Ammoniak- und Amin-Komplexe. Zur Auf
bringung auf den Träger können viele gängige organische Lösungsmittel oder
Wasser sowie Gemische daraus eingesetzt werden; Beispiele für organische
Lösungsmittel sind niedere Alkohole, Nitrile, Ketone, Chlorkohlenwasserstoffe,
Ester und Amide. Von den genannten Lösungsmittelgruppen werden vorwiegend
die niederen Glieder ihrer homologen Reihen, beispielsweise mit 1 bis 4
C-Atomen eingesetzt. Wegen der unproblematischen Verarbeitung wird Wasser
den organischen Lösungsmitteln vorgezogen. Die Träger können vor oder nach
dem Auftragen der Edelmetall-Lösungen mit alkalischen Verbindungen behandelt
werden; ebenso kommt eine Behandlung mit alkalischen Verbindungen sowohl vor
dem Auftragen als auch danach in Frage. Hierfür geeignete alkalische Ver
bindungen sind (Erd)Alkalimetallhydroxide, wie NaOH, KOH, Ca(OH)₂ oder
Ba(OH)₂, in wäßriger Lösung oder Alkalicarbonate, wie Na₂CO₃ oder K₂CO₃,
ebenfalls in wäßriger Lösung. Bei dieser Behandlung werden die Edelmetalle in
bekannter Weise als Hydroxide oder Oxide ausgefällt und so auf dem Träger
fixiert. Die fixierten Edelmetalloxide bzw. -hydroxide werden sodann mit Wasser
stoff zum elementaren Metall reduziert. Diese Behandlung mit Wasserstoff kann
grundsätzlich in der Anfahrphase des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt
werden; in bevorzugter Weise wird aber eine besondere Aktivierungsphase für den
Katalysator vorgesehen, innerhalb derer er durch H₂-Behandlung in die aktive
metallische Form übergeführt wird.
Geeignete Träger für die erfindungsgemäß eingesetzten Edelmetall-Katalysatoren
sind Oxide und Oxidhydrate von Elementen aus der II. bis VIII. Gruppe des
Periodensystems der Elemente (Mendelejew). Als Elemente seien beispielsweise
genannt: Mg, Ca, Ba, Zn, Al, Ga, La, Si, Sn, Ti, Zr, Nb, Ta, Cr, Fe, Co, Ni,
bevorzugt Mg, Ca, Zn, Al, Si, Sn, Ti, Zr, Nb, Cr, besonders bevorzugt Mg, Zn,
Al, Si, Ti, Zr. Weitere brauchbare Träger für erfindungsgemäß einsetzbare Kataly
satoren sind Schichtsilikate, wie Bentonit und Montmorillonit, ferner Mischoxide
aus den obigen Elementen wie beispielsweise Al/Si, Ti/Zr, Nb/Ta, Mg/Ca, Ca/Si,
Mg/Si, Zn/Si, Zn/Ti, Al/Ti, die u. a. auf dem Weg über mechanische Ver
mischungen, gemeinsame Fällungen von Salzen oder über Cogele aus Salzen oder
Alkoxiden hergestellt werden können, wie dies dem Fachmann bekannt ist (D.A.
Ward et al., Ind. Eng, Chem. Res. 34 (1995), 421 bis 433; W.F. Maier et al., in
J.F. Harrod and R.M. Laine, Applications of Organometallic Chemistry in the
Preparation and Processing of Advanced Materials, Kluver Academic Publishers
1995, Seite 27 bis 46).
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird dem Einsatzstoff der Formel (I) bis (X)
wenigstens eine geringe Menge an Wasserstoff zugesetzt, obwohl es sich er
findungsgemäß um eine Dehydrierung bzw. eine aminierende Dehydrierung
handelt, bei der grundsätzlich Wasserstoff entsteht. Diese zugesetzte Menge
Wasserstoff beträgt 0,01 bis 300 Mol H₂, bevorzugt 0,1 bis 200 Mol H₂, be
sonders bevorzugt 0,2 bis 150 Mol H₂ pro Mol der zu dehydrierenden bzw.
aminierend dehydrierenden Verbindung.
Während bei den unter Bildung von Carbazol zu dehydrierenden Verbindungen der
Formeln (I) bis (III) die Stickstoff-Funktion im Edukt bereits vorliegt, muß sie in
Edukten der Formeln (IV) bis (X) erst durch Austausch der Sauerstoff-Funktion
mit Hilfe von Ammoniak hergestellt werden. Der hierzu benötigte gleichzeitige
Einsatz von Ammoniak beträgt 1 bis 50 Mol NH₃, bevorzugt 1,5 bis 40 Mol NH₃,
besonders bevorzugt 2 bis 30 Mol NH₃ pro Mol der aminierend zu dehydrierenden
Verbindung der Formeln (IV) bis (X).
Weiterhin wurde gefunden, daß im erfindungsgemäßen Verfahren die Gegenwart
von Wasser zulässig ist, wenngleich Wasser für die Durchführung der erfindungs
gemäßen Reaktion auch nicht erforderlich ist. Die Wassermenge beträgt daher all
gemein 0 bis 10 Mol H₂O pro Mol der zu dehydrierenden oder aminierend de
hydrierenden Verbindung der Formeln (I) bis (X), wobei die Untergrenze Null die
Abwesenheit von Wasser bedeutet. Für den Fall der Anwesenheit von Wasser
kann dies ein Bereich von 0,05 bis 10 Mol H₂O, bevorzugt 0,1 bis 8 Mol, be
sonders bevorzugt 0,15 bis 5 Mol H₂O pro Mol der Verbindung (I) bis (X) sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Temperaturbereich von 300 bis 600°C,
bevorzugt 350 bis 580°C, besonders bevorzugt 380 bis 570°C und in einem
Druckbereich von 0,5 bis 10 bar, bevorzugt 0,7 bis 8 bar, besonders bevorzugt 0,8
bis 5 bar durchgeführt.
2 l γ-Al₂O₃ (Typ SPH 501 der Fa. Rhone-Poulenc; Kugeln von 3 bis 4 mm ⌀)
wurden mit 665 ml einer wäßrigen Lösung, enthaltend 8 g Pt und 8 g Ir (32 g
H₂PtCl₆ als 25%ige Lösung und 15,4 g IrCl₄), getränkt und im Trockenschrank
24 h bei 150°C getrocknet. Danach wurde mit 665 g wäßriger KOH-Lösung, ent
haltend 34 g KOH, getränkt und wiederum getrocknet. Der Katalysator enthielt
0,4 Gew.-% Ir und 0,4 Gew.-% Pt.
Analog Beispiel 1 wurde ein Katalysator hergestellt, der kein Pt, sondern 1,2%
Iridium enthielt.
Analog Beispiel 1 wurde ein Katalysator hergestellt, der 1,2% Pt enthielt.
12 ml des Katalysators nach Beispiel 1 wurden in ein Quarzrohr von 1,6 mm ⌀
gefüllt, bei 250°C mit Wasserstoff reduziert und dann bei Normaldruck mit
0,5 g/ml h DPA und 100 Mol H₂/Mol DPA belastet. Über lange Zeit erhielt man
eine stabile Umsetzung von DPA zu Carbazol bei 35 bis 45% und hoher
Selektivität zwischen 80 und 90%. Nach 1000 h und kontinuierlicher Anhebung
der Temperatur ab 350°C betrug der DPA-Umsatz bei 450°C ohne Zwischenre
generierung immer noch 38% bei einer Selektivität von 87%. Anzeichen einer
beginnenden Desaktivierung waren nicht zu erkennen.
Der Katalysator aus Beispiel 2 ergab unter den Bedingungen des Beispiels 4 einen
Umsatz an DPA von 53% und eine Selektivität von 59%.
Der Katalysator aus Beispiel 3 ergab unter den Bedingungen des Beispiels 4 einen
Umsatz von 49% und eine Selektivität von 38%.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von Carbazol durch Dehydrierung von Ver
bindungen der Formeln
oder durch aminierende Dehydrierung von Verbindungen der Formeln
bei erhöhter Temperatur an einem Edelmetall-Katalysator, dadurch gekenn
zeichnet, daß an einem Iridium-Katalysator oder an einem Iridium ent
haltenden Katalysator bei 300 bis 600°C in Gegenwart von Wasserstoff
gearbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator
einen Gehalt an Iridium von 0,01 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 6
Gew.-%, besonders bevorzugt 0,1 bis 4 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt
0,1 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator
ein Iridium enthaltender Katalysator ist, wobei neben dem Iridium ein
weiteres Metall aus der Gruppe der Platinmetalle, bevorzugt Rhodium,
Palladium, Platin, besonders bevorzugt Platin, vorliegt, die Summe der
Edelmetalle 0,01 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 6 Gew.-%, besonders
bevorzugt 0, 1 bis 4 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 0,1 bis 2 Gew.-%,
bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, beträgt und das Ge
wichtsverhältnis des Iridium zu dem anderen Platingruppenmetall
Ir : anders Metall = 0,2 bis 5 : 1, bevorzugt 0,5 bis 2 : 1 beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zu de
hydrierende oder aminierend zu dehydrierende Verbindung die der Formel
(II), (III), (IV), (VII) oder (VIII), bevorzugt die der Formel (II) eingesetzt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 0,01 bis 300 Mol
H₂, bevorzugt 0,1 bis 200 Mol H₂, besonders bevorzugt 0,2 bis 150 Mol
H₂ pro Mol der zu dehydrierenden bzw. aminierend dehydrierenden Ver
bindung eingesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall der
aminierenden Dehydrierung 1 bis 50 Mol NH₃, bevorzugt 1,5 bis 40 Mol
NH₃, besonders bevorzugt 2 bis 30 Mol NH₃ pro Mol der zu aminierend
dehydrierenden Verbindung eingesetzt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei 350 bis
580°C, bevorzugt 380 bis 570°C gearbeitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei 0,5 bis
10 bar, bevorzugt bei 0,7 bis 8 bar, besonders bevorzugt bei 0,8 bis 5 bar
gearbeitet wird.
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